Upload
syariva-maris-hasan
View
76
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
mekanika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yng tertua yang dimulai sejak tahun 384 SM. Perkembangannya dimulai dengan 3 tahapan yaitu masa Pra sains, Periode 2 dan periode 3 hingga memasuki tahap Fisika Modern. Termodinamika adalah cabang yang lebih baru ditemukan setelah perkembangan mekanika.
Citation preview
PERKEMBANGAN MEKANIKA
DAN TERMODINAMIKA
OLEH :
NAMA : SYARIVA MARIS
NIM : 4122121021
KELAS : FISIKA DIK C 2012
Dosen Pengampu : Dr. Sondang R. Manurung, M.Pd
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
2013 / 2014
SEJARAH FISIKA
PERKEMBANGAN MEKANIKA DAN TERMODINAMIKA
A. PERKEMBANGAN MEKANIKA
Mekanika merupakan cabang ilmu fisika yang termasuk paling tua
diantara yang lainnya. Mekanika berhubungan dengan materi yang mempelajari
keadaan benda, baik dalam keadaan diam maupun dalam keadaan bergerak serta
hubungan timbal balik antara gaya dan gerak.
Perkembangan ilmu mekanika memiliki 2 masa perkembangan yaitu
mekanika klasik dan mekanika modren. Mekanika klasik juga berkembang
melalui tahapan-tahapan yang terdiri dari 3 masa yaitu Zaman Pra Sains,
Periode II dan Periode III. Zaman Pra Sains dimulai pada 384 SM dan diakhiri
pada 1550 M. Periode ini cukup lama dianut karena pada masa itu gerak suatu
benda dibedakan hanya pada 2 jenis gerak, yaitu gerak alamiah dan gerak paksa.
Gerak alamiah yang dikatakan adalah gerak dengan sifat alamiah materi yang
dipengaruhi oleh unsur bumi. Pada masa Pra Sains mereka sudah mampu
membuat pompa air walapun masih dengan cara sederhana dengan
menggunakan derek dan batu dan menghitung diameter bumi melalui letak
vertikal cahaya matahari.
Pada Periode II dimulai dari tahun 1550 M hingga 1800 M.
Perkembangan mekanika terus berlanjut hingga diyakininya teori tentang
kelembaman dan berkembangnya hipotesis tentang gerak benda yang
dipengaruhi oleh resistansi udara. Masa ini juga adalah masa dimana mereka
sudah mulai membayangkan adanya ruangan hampa udara, teori tumbukan yang
saat itu mereka yakini bahwa setiap tumbukan terjadi maka daya dorong dan
momentum total tidak akan berubah untuk menghindari berhentinya dunia. Dari
beberapa eksperiment ilmuan saat itu mereka pun dapat membuat sebuah pompa
udara, penemuan generator elektrostatis serta yang paling menakjubkan
ditemukannya hukum gravitasi, hukum gerak planet, dan rumus-rumus
fundamental lainnya.
Pada masa Periode III yang dimulai sejak 1800 M-1890 M)
perkembangan mekanika fluida menjadi cabang ilmu baru fisika,kesetimbangan
benda tegar, hukum energy universal, dinyatakannya energy kinetic dalam
bentuk koordinat kartesian serta ketertarikan terhadap partikel.
Mekanika modern pun muncul karena ide-ide sederhana para ilmuwan
yang jaya pada masanya saat itu. Dimulai dari percobaan benda hitam, efek
fotolistrik, dualisme cahaya kuantisasi garis atom hydrogen, teori gelombang
materi serta yang paling tak terduga yang pada mulanya ditentang adalah teori
relativitas.
Dimana ilmuan yang mendukung adanya revolusi ilmu fisika itu adalah :
Periode I ( Pra Sains ... sampai dengan 1550 M )
1. Aristoteles ( 384-332 SM )
Aristoteles merupakan orang pertama pada periode ini yang mengemukakan cabang
mekanika yang berurusan dengan hubungan timbal balik antara gerak dan gaya yaitu
bidang dinamika. Ia mengemukakan suatu argumen tentang sifat bawaan dari berbagai
benda yang memberikan alasan untuk berbagai sifat tersebut dalam daya intrinsik
khusus dari benda itu sendiri.
Aristoteles membedakan dua jenis gerak yaitu gerak alamiah (pure motion) dan
gerak paksa (violent motion). Menurutnya tiap unsur memiliki “tempat alamiah” di
alam semesta ini seperti di pusat bumi yang dikelilingi oleh air udara dan api. Dengan
cara serupa, tiap unsur memiliki suatu gerak alamiah untuk bergerak kearah tempat
alamiahnya jika ia tidak ada di sana. Umumnya, bumi dan air memiliki sifat berat, yaitu
cenderung bergerak ke bawah, sementara udara dan api memiliki sifat levitasi, yaitu
cenderung bergerak ke atas. Gerak alamiah ether adalah melingkar, dan ether selalu
dalam tempat alamiahnya.
Gerak paksa disebabkan oleh gaya luar yang dikenakan dan boleh ke sembarang arah.
Gerak tersebut akan berhenti segera setelah gaya dihilangkan.
Salah satu kekurangan dinamika Aristoteles adalah bahwa kecepatan sebuah benda
akan menjadi tak hingga jika tak ada resistansi terhadap geraknya. Adalah sukar sekali
bagi para penganut aliran Aristoteles (Aristotelian) untuk membayangkan gerak tanpa
resistansi. Memang, kenyataan bahwa gerak seperti itu akan menjadi cepat secara tak
terhingga jika tak ada gesekan dengannya seperti seperti benda yang bergerak di ruang
kosong.
Teori Aristoteles bahwa gerak paksa membutuhkan suatu gaya yang bekerja secara
kontinyu ternyata bisa disangkal dengan memandang gerak proyektil. Aristoteles
mencontohkan pada sebuah anak panah yang ditembakkan dari sebuah busur akan tetap
bergerak untuk beberapa jarak meskipun jelas-jelas tidak selamanya didorong. busur
entah bagaimana memberi suatu “daya gerak” kepada udara, yang kemudian
mempertahankan anak panah tetap bergerak. Penjelasan ini sangat tidak meyakinkan,
dan masalah gerak peluru terus berlanjut hinga membuat kesal para Aristotelian selama
berabad-abad.
2. Archimedes (287-212 SM)
Archimedes ilmuwan Yunani abad ke-3 SM. Archimedes adalah seorang arsitokrat.
Archimedes adalah anak astronom Pheidias yang lahir di Syracuse, koloni Yunani yang
sekarang dikenal dengan nama Sisilia. Membicarakan Archimedes tidaklah lengkap
tanpa kisah insiden penemuannya saat dia mandi. Saat itu dia menemukan bahwa
hilangnya berat tubuh sama dengan berat air yang dipindahkan.
Cabang lain mekanika adalah statika. Ia merupakan studi benda-benda diam karena
kombinasi berbagai gaya. Perintis bidang ini adalah Archimedes..”
Archimedes adalah orang yang mendasarkan penemuannya dengan eksperiman.
Sehingga, ia dijuluki Bapak IPA Eksperimental.
3. Eratoshenes (273 – 192 SM)
Eratoshenes melakukan penghitungan diameter bumi pada tahun 230 SM. Dia
menengarai bahwa kota Syene di Mesir terletak di equator, dimana matahari bersinar
vertikal tepat di atas sumur pada hari pertama musim panas. Eratoshenes mengamati
fenomena ini tidak dari rumahnya, dia menyimpulkan bahwa matahari tidak akan
pernah mencapai zenith di atas rumahnya di Alexandria yang berjarak 7° dari Syene.
Jarak Alexandria dan Syene adalah 7/360 atau 1/50 dari lingkaran bumi yang dianggap
lingkaran penuh adalah 360°. Jarak antara Syene sampai Alexandria +/- 5000 stade.
Dengan dasar itu dibut prakiraan bahwa diameter bumi berkisar: 50x5000 stade =
25.000stade = 42.000Km.
Pengukuran tentang diameter bumi diketahui adalah 40.000 km. Ternyata, astronomer
jaman kuno juga tidak kalah cerdasnya, dengan deviasi kurang dari 5%.
Periode II ( Awal Sains 1550-1800 M )
1. Galileo ( 1564 M - 1642 M)
Ilmuwan Itali besar ini mungkin lebih bertanggung jawab terhadap perkembangan
metode ilmiah dari siapa pun juga. Aristoteles mengajarkan, benda yang lebih berat
jatuh lebih cepat ketimbang benda yang lebih ringan, dan bergenerasi-generasi kaum
cerdik pandai menelan pendapat filosof Yunani yang besar pengaruh ini.
Tetapi, Galileo memutuskan mencoba dulu benar-tidaknya, dan lewat serentetan
eksperimen dia berkesimpulan bahwa Aristoteles keliru.
Yang benar adalah, baik benda berat maupun ringan jatuh pada kecepatan yang sama
kecuali sampai batas mereka berkurang kecepatannya akibat pergeseran udara.
Galileo melakukan eksperimen ini di menara Pisa (Kebetulan, kebiasaan Galileo
melakukan percobaan melempar benda dari menara Pisa tampaknya tanpa sadar). Pada
satu sisi benda ringan akan menghambat benda berat dan benda berat akan
mempercepat benda ringan, dan karena itu kombinasi tersebut akan bergerak pada suatu
laju pertengahan. Di lain pihak benda-benda yang dipadu bahkan akan membentuk
benda yang lebih berat, yang karena itu harus bergerak lebih cepat dari pada yang
pertama atau salah satunya.
Mengetahui hal ini, Galileo mengambil langkah-langkah lebih lanjut. Dengan
hati-hati dia mengukur jarak jatuhnya benda pada saat yang ditentukan dan mendapat
bukti bahwa jarak yang dilalui oleh benda yang jatuh adalah berbanding seimbang
dengan jumlah detik kwadrat jatuhnya benda. Penemuan ini (yang berarti
penyeragaman percepatan) memiliki arti penting tersendiri. Bahkan lebih penting lagi
Galileo berkemampuan menghimpun hasil penemuannya dengan formula matematik.
Sumbangan besar Galileo lainnya ialah penemuannya mengenai hukum kelembaman
(inersia). Sebelumnya, orang percaya bahwa benda bergerak dengan sendirinya
cenderung menjadi makin pelan dan sepenuhnya berhenti kalau saja tidak ada tenaga
yang menambah kekuatan agar terus bergerak. Tetapi percobaan-percobaan Galileo
membuktikan bahwa anggapan itu keliru. Bilamana kekuatan melambat seperti
misalnya pergeseran, dapat dihilangkan, benda bergerak cenderung tetap bergerak
tanpa batas.
Analisis Galileo mencapai resolusi akhir dari masalah gerak peluru. Dia juga
memperlihatkan bagaimana komponen-komponen horisontal dan vertikal dari gerak
peluru bergabung menghasilkan lintasan parabolik. Galileo menganggap bahwa sebuah
benda yang menggelinding ke bawah pada suatu bidang miring adalah dipercepat
seragam yaitu, kecepatannya bertambah dengan besar yang sama dalam tiap interval
waktu yang kecil. Dia kemudian menunjukkan bahwa asumsi ini dapat diuji dengan
mengukur jarak yang dilalui, dari pada mencoba mengukur kecepatan secara langsung.
2. Descartes ( 1596 M – 1661 M )
Rene Descartes adalah filosof, ilmuwan, matematikus Perancis yang tersohor abad 17.
Waktu mudanya dia sekolah Yesuit, College La Fleche.
Begitu umur dua puluh dia dapat gelar ahli hukum dari Universitas Poitiers walau tidak
pernah mempraktekkan ilmunya samasekali. Meskipun Descartes memeperoleh
pendidikan baik, tetapi dia yakin betul tak ada ilmu apa pun yang bisa dipercaya tanpa
matematik. Karena itu, bukannya dia meneruskan pendidikan formalnya,
melainkan ambil keputusan kelana keliling Eropa dan melihat dunia dengan mata
kepala sendiri. Hukum Gerak Descartes terdiri atas dua bagian, dan memprediksi hasil
dari benturan antar dua massa:
1. bila dua benda memiliki massa dan kecepatan yang sama sebelum terjadinya benturan,
maka keduanya akan terpantul karena tumbukkan, dan akan mendapatkan kecepatan
yang sama dengan sebelumnya.
2. bila dua benda memiliki massa yang sama, maka karena tumbukkan tersebut, benda
yang memiliki massa yang lebih kecil akan terpantul dan menghasilkan kecepatan yang
sama dengan yang memiliki massa yang lebih besar. Sementara, kecepatan dari benda
yang bermassa lebih besar tidak akan berubah.
Descartes telah memunculkan hukum ini berdasarkan pada perhitungan simetris dan
suatu gagasan bahwa sesuatu harus ditinjau dari proses tumbukkan.
Sayangnya, gagasan Descartes memiliki kekurangan yang sama dengan gagasan
Aristoteles yaitu masalah diskontinuitas.
Descartes menerima prinsip Galileo bahwa benda-benda cenderung untuk bergerak
dalam garis lurus, dia beranggapan bahwa tidak pernah ada sembarang ruang kosong ke
dalam mana sebuah benda dapat bergerak. maka konsekuensinya adalah satu-satunya
gerak yang mungkin adalah rotasi dari suatu kumpulan partikel-partikel..
Pengaruh besar lain dari konsepsi Descartes adalah tentang fisik alam semesta. Dia
yakin, seluruh alam kecuali Tuhan dan jiwa manusia bekerja secara mekanis, dan
karena itu semua peristiwa alami dapat dijelaskan secara dan dari sebab-musabab
mekanis. Atas dasar ini dia menolak anggapan-anggapan astrologi, magis dan lain-lain
ketahayulan.
Descartes menyukai suatu alam dengan suatu mekanisme mesin jam yang besar sekali,
yaitu alam yang mekanistik, yang diciptakan oleh Tuhan dengan suatu pasokan materi
dan gerak yang tetap. Agar mesin dunia tidak “berhenti akhirnya”, dia berasumsi bahwa
kapanpun dua partikel bertumbukan, daya dorong atau momentum total mereka harus
tetap tak berubah.
Descartes mendefinisikan momentum sebagai perkalian massa dan
kecepatan, mv. Ini tidak sepunuhnya benar kecuali “kecepatan” diperlakukan sebagai
sebuah vektor yaitu suatu besaran yang memiliki arah tertentu di dalam ruang sehingga
kecepatan-kecepatan yang sama dalam arah belawanan akan saling menghilangkan.
3. Torricelli (1608 M – 1647 M) dan
Evangelista Torricelli (1608-1647 ), fisikawan Italia kelahiran Faenza. Pada
tahun 1643 ia menetapkan tentang tekanan atmosfer dan menemukan alat untuk
mengukurnya, yaitu barometer .
Pada tahun 1643, Torricelli membuat eksperimen sederhana, yang dinamakan Torricelli
Experiment, yaitu ia menggunakan sebuah tabung kaca kuat dengan panjang kira-kira 1
m dan salah satu ujungnya tertutup. Dengan menggunakan sarung menghadap ke atas.
Dengan menggunakan corong ia menuangkan raksa dari botol ke dalam tabung sampai
penuh. Kemudian ia menutup ujung terbuka tabung dengan jempolnya, dan segera
membaliknya. Dengan cepat ia melepaskan jempolnya dari ujung tabung dan menaruh
tabung vertikal dalam sebuah bejana berisi raksa. Ia mengamati permukaan raksa dalam
tabung dan berhenti ketika tinggi kolom raksa dalam tabung 76 cm di atas permukaan
raksa dalam bejana. Ruang vakum terperangkap di atas kolam raksa.
4. Otto von Guericke ( 1602 M – 1686 M)
Otto von Guericke (30 November 1602- 21 Mei 1686) adalah seorang ilmuwan
Jerman, pencipta, dan politikus. Prestasi ilmiah utama nya menjadi penetapan dari ilmu
fisika ruang hampa.Pada 1650 Guericke menemukan pompa udara. Guericke
menerapkan barometer ke ramalan cuaca untuk meteorologi.
Kemudiannya bidang kajianya dipusatkan pada listrik, tetapi sangat sedikit hasil nya. Ia
menemukan generator elektrostatik yang pertama, “ Elektrisiermaschine”.
5. Blaise Pascal ( 1623 M -1662 M )
Blaise Pascal (19 Juni 1623- 19Agustus 1662) adalah ilmuwan Perancis Ahli
matematik, ahli ilmu fisika, dan ahli filsafat religius. Dalam bidang fisika, khususnya
mekanika, dia melakukan percobaan dengan cara mengukur beda tinggi barometer di
dasar dan di puncak gunung.
Dari keterangan-keterangannya itu nantinnya dia mengemukakan prinsip hidrostatik
yang kita kenal dengan Hukum Pascal, yaitu “Jika suatu zat cair dikenakan tekanan,
maka tekanan itu akan merambat ke segala arah sama besar dengan tidak bertambah
atau berkurang kekuatannya”.
6. Isaac Newton ( 1642 M – 1727 M )
Isaac Newton (1642-1727), lahir di Woolsthrope, Inggris. Dia lahir di tahun kematian
Galileo. Penemuan-penemuan Newton yang terpenting adalah di bidang mekanika,
pengetahuan sekitar bergeraknya sesuatu benda didasarkan pada tiga hukum
fundamental. Hukum pertamanya adalah hukum inersia Galileo, Galileo merupakan
penemu pertama hukum yang melukiskan gerak sesuatu obyek apabila tidak
dipengaruhi oleh kekuatan luar.
Tentu saja pada dasarnya semua obyek dipengaruhi oleh kekuatan luar dan persoalan
yang paling penting dalam ihwal mekanik adalah bagaimana obyek bergerak dalam
keadaan itu.
Masalah ini dipecahkan oleh Newton dalam hukum geraknya yang kedua dan
termasyhur dan dapat dianggap sebagai hukum fisika klasik yang paling
utama. Hukum kedua (secara matematik dijabarkan dengan persamaan F = m.a atau a
= F/m) menetapkan bahwa percepatan obyek adalah sama dengan gaya netto dibagi
massa benda.
Hukum kedua Newton memiliki bentuk sama seperti hukum dinamika
Aristoteles, v = kF/R, dengan dua perbedaan penting. Yang satu adalah bahwa gaya
menghasilkan percepatan dari pada kecepatan, sehingga dalam ketidak hadiran gaya,
kecepatan tetap konstan (hukum pertama). Perbedaan yang lain adalah bahwa hambatan
terhadap gerak adalah disebabkan oleh massa benda itu sendiri, terhadap medium di
mana ia bergerak. hukum ketiganya yang masyhur tentang gerak (menegaskan
bahwa pada tiap aksi, misalnya kekuatan fisik, terdapat reaksi yang sama dengan yang
bertentangan) serta yang paling termasyhur penemuannya tentang kaidah ilmiah hukum
gaya berat universal.
Newton juga membedakan antara massa dan berat. Massa adalah sifat intrinsik suatu
benda yang mengukur resistansinya terhadap percepatan, sedangkan berat adalah
sesungguhnya suatu gaya, yaitu gaya berat yang bekerja pada sebuah benda. Jadi
berat W sebuah benda adalah W = mag, di mana ag adalah percepatan karena gravitasi.
Keempat perangkat hukum ini, jika digabungkan, akan membentuk suatu kesatuan
sistem yang berlaku buat seluruh makro sistem mekanika, mulai dari ayunan pendulum
hingga gerak planet-planet dalam orbitnya mengelilingi matahari.
Diantara banyak prestasi Newton, ada satu yang merupakan penemuan terbesar
ialah ‘Hukum Gravitasi’. Pada penemuan ini, Newton menggunakan dengan baik
penemuan penting sebelumnya tentang pergerakan angkasa yang dibuat oleh Kepler
dan yang lainnya. Newton menyadari hukum semacam ini pada pertengahan 1660.
Pada masa kreatif ini, ia menulis hampir satu abad kemudian bahwa,“Saya menarik
kesimpulan bahwa kekuatan yang menjaga planet-planet pada orbitnya pasti
berbanding terbalik sama dengan kuadrat dari jarak mereka dengan pusat dimana
mereka berevolusi”. Diungkapkan sebagai sebuah persamaan
di mana F gaya gravitasi diantara dua benda bermassa m1 dan m2, r adalah
jarak antara pusat-pusatnya, dan G adalah tetapan gravitasi . Gerak sebuah planet
mengelilingi matahari adalah suatu kombinasi gerak garis lurus yang ia harus miliki
jika tak ada gaya yang bekerja kepadanya dan percepatannya karena gaya gravitasi
matahari.
Periode III ( Fisika Klasik 1800 M -1890 (1900 ) M )
1. Daniel Bernoulli (1700 M – 1780 M)
Daniel Bernoulli ( 8 Pebruari 1700 – 17 Maret 1782) adalah ilmuwan swiss Ahli
matematik. Keahlian matematikanya untuk diaplikasikan ke mekanika, terutama ilmu
mekanika zat cair (fluida) dan gas. Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di
dalammekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida ,
peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran
tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli
yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup
sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama.
2. Leonhard Euler ( 1707 M – 1783 M )
Leonard Euler lahir tahun 1707 di Basel, Swiss. Dia diterima masuk Universitas Basel
tahun 1720 tatkala umurnya baru mencapai tiga belas tahun. Euler khusus ahli
mendemonstrasikan bagaimana hukum-hukum umum mekanika, yang telah
dirumuskan di abad sebelumnya oleh Isaac Newton, dapat digunakan dalam jenis
situasi fisika tertentu yang terjadi berulang kali.
Misalnya, dengan menggunakan hukum Newton dalam hal gerak cairan, Euler sanggup
mengembangkan persamaan hidrodinamika. Juga, melalui analisa yang cermat tentang
kemungkinan gerak dari barang yang kekar, dan dengan penggunaan prinsip-prinsip
Newton. Dan Euler berkemampuan mengembangkan sejumlah pendapat yang
sepenuhnya menentukan gerak dari barang kekar. Dalam praktek, tentu saja, obyek
benda tidak selamanya mesti kekar. Karena itu, Euler juga membuat sumbangan
penting tentang teori elastisitas yang menjabarkan bagaimana benda padat dapat
berubah bentuk lewat penggunaan tenaga luar.
Pengetahuan modern dan teknologi akan jauh tertinggal di belakang, tanpa
adanya formula Euler, rumus-rumusnya, dan metodenya. Sekilas pandangan melirik
indeks textbook matematika dan fisika akan menunjukkan penjelasan-penjelasan ini
sudut Euler (gerak benda keras); kemantapan Euler (deret tak terbatas); keseimbangan
Euler (hydrodinamika); keseimbangan gerak Euler (dinamika benda keras); formula
Euler (variabel kompleks); penjumlahan Euler (rentetan tidak ada batasnya), curve
polygonal Eurel (keseimbangan diferensial); pendapat Euler tentang keragaman fungsi
(keseimbangan diferensial sebagian); transformasi Euler (rentetan tak terbatas); hukum
Bernoulli-Euler (teori elastisitis); formula Euler-Fourier (rangkaian trigonometris);
keseimbangan Euler-Lagrange (variasi kalkulus, mekanika); dan formula Euler-
Maclaurin (metode penjumlahan) itu semua menyangkut sebagian yang penting-
penting saja.
3. Hamilton
Jika ditinjau gerak partikel yang terkendala pada suatu permukaan bidang,
maka diperlukan adanya gaya tertentu yakni gaya konstrain yang berperan
mempertahankan kontak antara partikel dengan permukaan bidang. Namun tak
selamanya gaya konstrain yang beraksi terhadap partikel dapat diketahui. Pendekatan
Newtonian memerlukan informasi gaya total yang beraksi pada partikel. Gaya total ini
merupakan keseluruhan gaya yang beraksi pada partikel, termasuk juga gaya konstrain.
Oleh karena itu, jika dalam kondisi khusus terdapat gaya yang tak dapat diketahui,
maka pendekatan Newtonian tak berlaku. Sehingga diperlukan pendekatan baru dengan
meninjau kuantitas fisis lain yang merupakan karakteristik partikel, misal energi
totalnya. Pendekatan ini dilakukan dengan menggunakan prinsip Hamilton,
dimana persamaan Lagrange yakni persamaan umum dinamika partikel dapat
diturunkan dari prinsip tersebut.
Prinsip Hamilton mengatakan, Dari seluruh lintasan yang mungkin bagi
sistem dinamis untuk berpindah dari satu titik ke titik lain dalam interval waktu spesifik
(konsisten dengan sembarang konstrain), lintasan nyata yang diikuti sistem dinamis
adalah lintasan yang meminimumkan integral waktu selisih antara energi kinetik
dengan energi potensial.
4. Joseph-Louis Lagrange ( 1736 M – 1813 M )
Persamaan gerak partikel yang dinyatakan oleh persamaan Lagrange dapat diperoleh
dengan meninjau energi kinetik dan energi potensial partikel tanpa perlu meninjau gaya
yang beraksi pada partikel. Energi kinetik partikel dalam koordinat kartesian adalah
fungsi dari kecepatan, energi potensial partikel yang bergerak dalam medan gaya
konservatif adalah fungsi dari posisi.
Persamaan Lagrange merupakan persamaan gerak partikel sebagai fungsi dari
koordinat umum, kecepatan umum, dan mungkin waktu. Waktu berpengaruh dalam
persaman Lagrange dikarenakan persamaan transformasi yang menghubungkan
koordinat kartesian dan koordinat umum mengandung fungsi waktu. Pada dasarnya,
persamaan Lagrange ekivalen dengan persamaan gerak Newton, jika koordinat yang
digunakan adalah koordinat kartesian.
Dalam mekanika Newtonian, konsep gaya diperlukan sebagai kuantitas fisis yang
berperan dalam aksi terhadap partikel. Dalam dinamika Lagrangian, kuantitas fisis yang
ditinjau adalah energi kinetik dan energi potensial partikel. Keuntungannya, karena
energi adalah besaran skalar, maka energi bersifat invarian terhadap transformasi
koordinat. Dalam kondisi tertentu, tidaklah mungkin atau sulit menyatakan seluruh
gaya yang beraksi terhadap partikel, maka pendekatan Newtonian menjadi rumit atau
bahkan tak mungkin dilakukan
Perkembangan Mekanika Modern (1900-sekarang)
1. Mekanika Kuantum
1) Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi
menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk
menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh bendah hitam
2) Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan
bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton.
3) Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen dengan
penggunaan kuantisasi.
4) Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang benda.
Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal. Tidak ada
penjelaskan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal teori kuantum lama.
5) Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl Heisenberg
mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrodinger menemukan mekanika
gelombang dan persamaan Schrodinger. Schrodinger beberapa kali menunjukkan
bahwa kedua pendekatan tersebut sama. Pada tahun 1927, Heinseberg merumuskan
prinsip ketidakpastiannya dan interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu yang
hampir bersamaan.
6) Tahun 1927, Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas
khusus. Dia juga menggunakan teori operator, termasuk nota bra-ket yang berpengaruh.
7) Pada tahun 1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk
mekanika kuantum sebagai teori operator.
8) Bidang kimia kuantum dibuka oleh Walter Heitler dan Fritz London yang
mempublikasikan penelitian ikatan kovalen dari molekul hidrogen pada tahun 1927.
Kimia kuantum beberapa kali dikembangkan oleh pekerja dalam jumlah besar,
termasuk kimiawan Amerika, Linus Pauling.
9) Berawal pada 1927, percobaan dimulai untuk menggunakan mekanika kuantum ke
dalam bidang di luar partikel satuan yang menghasilkan teori medan kuantum. Pekerja
awal dalam bidang ini termasuk Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf dan Pascaul
Jordan. Bidang riset area ini dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika kuantum
oleh Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger dan Tomonaga pada tahun
1940-an. Elektrodinamika kuantum adalah teori kuantum elektron, proton dan medan
elektromagnetik dan berlaku sebagai contoh untuk teori kuantum berikutnya.
10) Teori Kromodinamika Kuantum diformulasikan pada awan 1960an. Teori yang kita
kenal sekarang ini diformulasikan oleh Polizter, Gross dan Wilzcek pada tahun 1975.
Pengembangan awal oleh Schwinger, Peter Higgs, Goldstone dan lain-lain..Sheldon
Lee Glashow, Steven Wienberg, dan Abdus Salam menunjukkan secara independen
bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat digabungkan
menjadi satu gaya lemah elektro.
2. Relativitas Umum
Relativitas umum diperkenalkan oleh Albert Einstein pada tahun 1916. Teori ini
merupakan penjelasan gravitasi termutakhir dalam fisika modern. Ia menyatukan teori
Einstein sebelumnya dengan hukum gravitasi Newton.
B. PERKEMBANGAN TERMODINAMIKA
Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = ‘panas’ and dynamic = ‘perubahan’) adalah
fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika
berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan
termodinamika berasal. Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau
pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi
(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah
“termodinamika” biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan
ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan,
proses “super pelan”. Proses termodinamika bergantung waktu dipelajari dalam
termodinamika tak-setimbang. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan
konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan
termostatik. Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini
tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti
mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecuali
perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya
termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang
ini tentang termodinamika benda hitam.
Hukum-Hukum Dasar Termodinamika
a) Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamik yang menyatakan bahwa dua sistem
dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling
setimbang satu dengan lainnya.
b) Hukum Pertama Termodinamik ada keterkaitan dengan kekekalan energi. Hukum
ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama
dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang
dilakukan terhadap sistem.
c) Hukum kedua Termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan
bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk
meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
d) Hukum ketiga Termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini
menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua
proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini
juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur
nol absolut bernilai nol.
Tahun-Tahun Penting perkembangan termodinamika :
Peristiwa-Peristiwa Penting Termodinamik pada dasarnya, termodinamika adalah ilmu
yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Oleh karena itu, sejarah
berkembangnya ilmu termodinamika berawal sejak manusia mulai “memikirkan”
tentang panas..
Abad ke 5 SM filsuf Yunani Parmenides, dalam karyanya hanya dikenal, puisi
konvensional berjudul On Nature, menggunakan penalaran verbal untuk mendalilkan
bahwa kekosongan, pada dasarnya apa yang sekarang dikenal sebagai vakum, di alam
tidak bisa terjadi. Pandangan ini didukung oleh argumen-argumen Aristoteles, tetapi
dikritik oleh Leucippus dan Hero dari Alexandria. Dari dulu sampai Abad Pertengahan
berbagai argumen dikemukakan untuk membuktikan atau menolak adanya vakum dan
beberapa usaha dilakukan untuk membangun vakum tapi semua terbukti berhasil.
Abad 16 dan 17 Ilmuwan Eropa Kornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei dan
Santorio Santorio pada mampu mengukur "dingin" relatif atau "hotness" udara,
menggunakan termometer udara dasar (atau thermoscope). Hal ini mungkin
dipengaruhi oleh perangkat sebelumnya yang dapat memperluas dan kontrak udara
dibangun oleh Philo dari Byzantium dan Hero dari Alexandria.350 SM Aristoteles
Adalah orang yang pertama kali melakukan percobaan tentang panas. Dia mengatakan
bahwa panas adalah bagian dari materi atau materi tersusun dari panas Penalaran yang
dilakukan oleh Aristoteles.
Tahun 1593 Galileo Galile meneruskan percobaan Aristoteles yang menganggap
bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur dengan penemuannya berupa
termometer air.
Tahun 1600 an , filsuf Inggris Francis Bacon dan ilmuwan menduga: "Panas itu
sendiri, esensi dan hakekat adalah gerak dan tidak ada lagi."
Tahun 1643, Galileo Galilei, sementara umumnya menerima menyedot penjelasan
Horror vacuum diusulkan oleh Aristoteles, percaya bahwa vakum alam terbatas. Pompa
beroperasi di tambang sudah membuktikan bahwa alam hanya akan mengisi vakum
dengan air sampai ketinggian 30 kaki. Mengetahui fakta ini penasaran, Galileo
mendorong bekas muridnya Evangelista Torricelli untuk menyelidiki keterbatasan ini
seharusnya. Torricelli tidak percaya bahwa anti vakum (Horror vacui) dalam arti
perspektif ‘menghisap’ Aristoteles, yang menjadi factor utama meningkatnya air.
Sebaliknya, ia beralasan, itu adalah hasil dari tekanan yang diberikan pada cairan oleh
udara sekitarnya.Untuk membuktikan teori ini, ia mengisi sebuah tabung kaca
panjang(tertutup di salah satu ujung) dengan merkuri dan terjungkal ke dalam piring
juga mengandung merkuri. Hanya sebagian tabung kosong (seperti yang ditunjukkan
berdekatan) sekitar 30 inci cairan tetap. Seperti merkuri dikosongkan, dan vakum yang
telah dibuat di bagian atas tabung. Ini, vakum buatan manusia pertama, efektif
menyangkal teori 'menghisap' Aristoteles dan menegaskan adanya kekosongan di alam.
Tahun 1650 Otto von Guericke menemukan pompa vakum pertama didunia
digunakan untuk menyanggah Aristoteles bahwa 'alam membenci kekosongan'.
Penemuannya tentang Tekanan udara dan vakum pada pompa vakum terdiri dari piston
dan silinder pistol udara dengan dua arah flaps dirancang untuk menarik udara keluar
dari kapal itu pun terhubung ke, dan digunakan untuk menyelidiki sifat vakum dalam
banyak percobaan.Guericke Experimenta menunjukkan kekuatan tekanan udara dengan
percobaan dramatis. Dengan eksperimen Guericke menyangkal hipotesis "horor vacui",
alam yang membenci kekosongan, yang selama berabad-abad dijunjung tinggi oleh
filsuf dan ilmuwan sebagai hukum alam. Guericke menunjukkan bahwa zat tidak
ditarik oleh vakum, tetapi didorong oleh tekanan dari cairan sekitarnya.Semua
pekerjaan von Guericke pada vakum dan tekanan udara.
Tahun 1654 Regensburg melakukan percobaan pertama ia secara eksplisit mencatat
sebagai telah ditunjukkan menghancurkan kapal non-bulat seperti tersebut ditarik
dengan udara. Dia tidak menggunakan pompa vakum secara langsung di kapal, tetapi
diperbolehkan udara di dalamnya untuk memperluas ke penerima yang sebelumnya
dievakuasi. Yang kedua adalah sebuah percobaan di mana sejumlah pria terbukti
mampu menarik piston kedap udara hanya sekitar setengah jalan pada sebuah kapal
tembaga silinder. Von Guericke kemudian dilampirkan penerima nya dievakuasi ke
ruang bawah piston dan berhasil menarik piston kembali turun lagi melawan kekuatan
pria tersebut.
Tahun 1656 ahli fisika Inggris dan kimiawan Robert Boyle telah belajar desain
Guericke dan, pada dalam koordinasi dengan ilmuwan Inggris Robert Hooke,
Membangun sebuah pompa udara. Menggunakan pompa ini, Boyle dan Hooke melihat
korelasi antara tekanan, suhu, dan volume. Dalam waktu Hukum Boyle dirumuskan,
yang menyatakan bahwa tekanan dan volume berbanding terbalik.
Tahun 1679, Boyle Denis Papin membangun sebuah digester uap, yang merupakan
bejana tertutup dengan tutup erat pas bahwa uap terbatas sampai tekanan tinggi yang
dihasilkan.Kemudian menerapkan desain katup uap rilis yang membuat mesin dari
meledak. Dengan mengamati katup berirama bergerak naik dan turun, Papin
terinspirasi dari ide piston dan silinder mesin.
Tahun 1697, Thomas Savery dibangun mesin pertama berdasarkan desain Papin, diikuti
oleh Thomas Newcomen pada 1712. Meskipun mesin ini awal yang kasar dan tidak
efisien, mereka menarik perhatian para ilmuwan terkemuka saat itu.Konsep dasar dari
kapasitas panas dan panas laten, yang diperlukan untuk pengembangan termodinamika,
dikembangkan oleh Profesor Joseph Black di Universitas Glasgow, di mana James
Watt bekerja sebagai pembuat instrumen. Black dan Watt melakukan eksperimen
bersama-sama, tapi Watt yang dikandung gagasan kondensor eksternal yang
menghasilkan peningkatan besar dalam efisiensi mesin uap dengan menggambar pada
semua pekerjaan sebelumnya.
Tahun 1799 Sir Humphrey Davy dan Count Rumford menegaskan bahwa panas adalah
sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer,tapi
membantah pernyataan Aristoteles. Seharusnya hukum kenol termodinamika
dirumuskan saat itu, tapi karena termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka
belum terpikirkan oleh para ilmuwan. “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan
sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.
Tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang
mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Tahun 1824 Sadi Carnot, berupaya
menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang
dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan titik awal perkembangan ilmu
termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai Bapak Termodinamika,
mempublikasikan Refleksi pada Kekuatan Motif Api, wacana pada efisiensi panas,
kekuatan, energi dan mesin. Makalah ini diuraikan hubungan energik dasar antara
mesin Carnot, siklus Carnot, dan kekuatan motif. Ini menandai dimulainya
termodinamika sebagai ilmu pengetahuan modern.
Tahun 1845, James P. Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua bentuk
energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula oleh Rudolf
Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer. Selanjutnya,
para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika (1850)
Tahun 1858 Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui
makalahnya: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat.Tahun
1859,William Rankine, menulis buku teks termodinamika pertama. Dalam buku ini
dituliskan tentang “perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup
sama dengan total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja
yang dilakukan terhadap sistem”
∆U = Q + W Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, dan
menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima
mesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal
ini karena adalah sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S)
meningkat. Saat itu hukum. Pada awalnya dilatih sebagai seorang ahli fisika dan
seorang profesor teknik sipil dan mekanik di Universitas Glasgow.Dasar
termodinamika statistik yang ditetapkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell,
Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius dan J.Willard Gibbs.
Tahun 1860 Hukum kedua termodinamika diperkenalkan. Menurut Clausius, besarnya
perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat
tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui persamaan di bawah :
“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat
seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”
Tahun 1873-1876 Seorang ahli matematika yang Fisikawan Amerika Josiah Willard
Gibbs menerbitkan serangkaian tiga makalah, yang paling terkenal adalah Pada
Kesetimbangan Substansi heterogen, di mana ia menunjukkan bagaimana proses
termodinamika, termasuk reaksi kimia, dapat dianalisis grafis , dengan mempelajari
energi, entropi, volume, suhu dan tekanan dari sistem termodinamika sedemikian rupa,
kita dapat menentukan jika suatu proses akan terjadi secara spontan.
Tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan
besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan ini mengawali
berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang sifat
termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang
menyusunnya. Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan seperti
James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius
dan J. Willard Gibbs .Willard Gibbs.
Tahun 1906 Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika.“pada
saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan
entropi sistem akan mendekati nilai minimum”Pada tahun 1906 Giauque dan W. Nernst
merumuskan hukum ketiga termodinamika. “pada saat suatu sistem mencapai
temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati
nilai minimum”
Tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari energi
(E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum (1900-1940)
bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini
seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energy
Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel
antimateri yang bisa memusnahkan materi.Abad 19, Pierre Duhem menulis tentang
termodinamika kimia. Selama awal abad 20, kimiawan seperti Gilbert N. Lewis, Merle
Randall, dan EA Guggenheim menerapkan metode matematika Gibbs untuk analisis
proses kimia.
Termodinamika klasik adalah deskripsi dari satuan-satuan dan proses system
Thermodynamical yang makroskopik, sifat empiris secara langsung diukur di
laboratorium. Hal ini digunakan untuk pertukaran model energi, kerja, panas, dan
materi, berdasarkan hukum termodinamika. Kualifikasi Klasik mencerminkan fakta
bahwa itu mewakili tingkat deskriptif dalam hal parameter empiris makroskopik yang
dapat diukur di laboratorium, yang merupakan tingkat pertama pemahaman pada abad
ke-19. Sebuah penafsiran mikroskopis konsep-konsep ini diberikan oleh perkembangan
termodinamika statistik.
Awal abad 20, Termodinamika statistik, juga disebut mekanika statistik, muncul
dengan perkembangan teori atom dan molekul pada paruh kedua abad ke-19 dan,
melengkapi termodinamika dengan interpretasi interaksi mikroskopis antara partikel
individu atau kuantum-mekanis negara. Bidang ini berhubungan sifat mikroskopis atom
dan molekul individu dengan, sifat makroskopik sebagian besar bahan-bahan yang
dapat diamati pada skala manusia, sehingga menjelaskan termodinamika sebagai akibat
alami dari statistik, mekanika klasik, dan teori kuantum pada tingkat mikroskopis.
Tahun 1900, Max Planck menjelaskan Quantum termodinamika adalah studi tentang
dinamika panas dan bekerja dalam sistem kuantum. Sekitar, termodinamika kuantum
mencoba untuk menggabungkan termodinamika dan mekanika kuantum ke dalam satu
kesatuan yang koheren. Titik penting di mana "mekanika kuantum" dimulai ketika,
pada diuraikan "hipotesis kuantum", yaitu bahwa energi sistem atom dapat
terkuantisasi, yang didasarkan pada dua hukum pertama termodinamika seperti yang
dijelaskan oleh Rudolf Clausius (1865) dan Ludwig Boltzmann (1877).